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関数の調べ方:周期性・単調性・極値・区間での最大値と最小値

関数を調べるときは4つの質問をします。グラフはくり返すか(周期Tで f(x + T) = f(x))。どこで上がり、どこで下がるか(傾きの符号)。どこで折り返すか(傾きが0で、極大か極小)。そして選んだ区間 [a, b] で、いちばん大きい値と小さい値はどれか(両端と区間の中の折り返す点を調べる)。

🎬 ステップ別ストーリー

  1. 波はくり返します。2つの紫の点を見てください。距離 T だけ進むと、高さがまったく同じになります。この T が周期です。
  2. 波をぎゅっと縮めます。w を1から2にすると、波は2倍の速さでくり返し、周期は約6.28から3.14に半分になります。
  3. 新しい曲線 x³ − 3x です。緑の部分は上り、赤の部分は下りです。点を動かすと色が変わります。
  4. 山の頂上と谷の底では、オレンジの接線が水平です。そこでの傾きは0。ここが折り返す点です。
  5. では青い帯、−2から1.5までの区間だけを見ます。いちばん大きい値は x = −1 での2。いちばん小さい値は端の x = −2 での −2 です。
  6. 自由に遊ぼう。a と b を動かしてみて。最大と最小は、折り返す点にも端にも来ます。ぴょんと移るのを見てみよう。

ヒント:3Dをドラッグすると回せます。2本指で拡大・縮小できます。

🤔 よくある疑問をスッキリ解決

周期的な関数では、何がくり返されるの?

絵ぜんたいです。それを右に T だけずらすと、ぴったり自分に重なります。

w が大きいと、なぜ周期は小さくなるの?

w が大きいと波が横に縮むので、1つぶんの波が短い距離に入ります。T = 2π ÷ w です。

なぜ −1 と 1 で色が変わるの?

この点で曲線は、それまでの向きをやめて反対向きに進み始めます。だから傾きの符号が変わるのです。

折り返す点で、なぜ接線は水平なの?

頂上の少し前ではグラフは上がり、少し後では下がります。その間で、傾きは必ず0を通ります。

なぜ最小は折り返す点ではなく、端の x = −2 にあるの?

端も候補だからです。ここでは f(−2) = −2 が谷の値 f(1) = −2 と等しいので、どちらも最小です。

最大が折り返す点にあることはある?

あります。a を −1.5、b を 1 に動かしてみて。最大の2は折り返す点 x = −1 にあります。

周期性

すべての x について f(x + T) = f(x) となる数 T > 0 があるとき、関数 f は周期的だといいます。そのような T のうち最小のものが周期です。グラフは、ひとまとまりの形が何度もくり返されたものです。

x² のような関数は周期的ではありません。値は大きくなる一方で、くり返しません。

f の周期が T なら、1周期分だけ調べて、あとはそれをコピーすればよいのです。

単調性:増加と減少

x が大きくなるとグラフが上がるとき、その区間で関数は増加しているといい、下がるとき減少しているといいます。この2つをまとめて単調(向きが1つだけ)といいます。

それを教えてくれるのが傾きです。曲線のある点での傾きを f′(x)(導関数)と書きます。

例:f(x) = x³ − 3x のとき、f′(x) = 3x² − 3 = 3(x − 1)(x + 1)。x < −1 と x > 1 では正(増加)、−1 < x < 1 では負(減少)です。

極値:折り返す点

極大は山の頂上で、関数が上がってから下がります。極小は谷の底で、下がってから上がります。この2つをまとめて極値といいます。

そのような点では接線が水平なので、f′(x) = 0 です。次のように見つけます。

  1. f′(x) = 0 を解く。これが候補(臨界点)です。
  2. その点の直前と直後での f′ の符号を調べる。正から負なら極大。負から正なら極小。変わらなければどちらでもない(0での x³ のように)。

x³ − 3x では、f′ = 0 となるのは x = ±1。x = −1 で傾きは + から − に変わるので極大、値は2。x = 1 では − から + に変わるので極小、値は −2。

区間 [a, b] での最大と最小

閉じた区間 [a, b] では、なめらかな関数に最大値と最小値があります。それは区間の中の折り返す点にも、端にもあります。だから次のようにします。

  1. [a, b] の中にある折り返す点(f′ = 0)を見つける。外にあるものは無視する。
  2. その点と、a と b で f を計算する。
  3. いちばん大きい数が最大、いちばん小さい数が最小。

[−2, 1.5] での f = x³ − 3x:f(−2) = −2、f(−1) = 2、f(1) = −2、f(1.5) = −1.125。最大は x = −1 での2。最小は x = −2 と x = 1 での −2。

極大が区間でいちばん大きいとは限りません。端のほうが大きいこともあります。

やってみよう:予想してから確かめる

3Dボードで「[a, b] での最大と最小」を選びます。予想してみよう。a = −1.5、b = 2 のとき、最大はどこでしょう。a と b を動かして確かめます。家でもできます。小さなボールを(そっと!)上に投げて見てみましょう。上がって、頂上で一瞬止まり(傾き0)、落ちてきます。頂上が折り返す点です。または、一定のリズムで手をたたきます。2回のたたく間の時間が周期です。

重要な公式と用語

例題

1. y = sin(3x) の周期を求めよ。

T = 2π ÷ w = 2π ÷ 3 = 2π/3。

2. y = cos(x/2) の周期を求めよ。

ここでは w = 1/2 なので、T = 2π ÷ (1/2) = 4π。波は横に引きのばされるので、くり返しがゆっくりになります。

3. f(x) = x² は周期的か。

いいえ。すべての x で f(x + T) = f(x) なら、x = 0 のとき T² = 0 なので T = 0 ですが、周期は0より大きくなければなりません。だから x² は周期的ではありません。グラフはくり返さないお椀の形です。

4. f(x) = x² − 4x は、どこで増加し、どこで減少するか。

f′(x) = 2x − 4。x = 2 で0です。x < 2 では f′ < 0 なので減少。x > 2 では f′ > 0 なので増加。だから x = 2 が最小で、f(2) = −4。

5. f(x) = x³ − 3x の極大値と極小値を求めよ。

f′ = 3x² − 3 = 0 より x = ±1。x = −1 で傾きは + から − に変わるので極大、f(−1) = −1 + 3 = 2。x = 1 では − から + に変わるので極小、f(1) = 1 − 3 = −2。

6. [−2, 1.5] での f(x) = x³ − 3x の最大値と最小値を求めよ。

折り返す点 ±1 はどちらも区間の中。f(−2) = −8 + 6 = −2。f(−1) = 2。f(1) = −2。f(1.5) = 3.375 − 4.5 = −1.125。最大は x = −1 での2、最小は x = −2 と x = 1 での −2。

7. [0, 5] での f(x) = x² − 4x + 1 の最大値と最小値を求めよ。

f′ = 2x − 4 = 0 より x = 2(区間の中)。f(2) = 4 − 8 + 1 = −3。f(0) = 1。f(5) = 25 − 20 + 1 = 6。最大は x = 5(端)での6、最小は x = 2 での −3。

8. [1, 4] での f(x) = x + 1/x の最大値と最小値を求めよ。

f′ = 1 − 1/x²。x > 1 では 1/x² < 1 なので f′ > 0。区間全体で増加です。区間の中に折り返す点はありません(x = 1 は端)。最小は f(1) = 2、最大は f(4) = 4 + 0.25 = 4.25。

よくある間違い

練習クイズ

1. sin x の周期は:
2. sin(2x) の周期は:
3. 区間で f′(x) < 0 のとき、f はそこで:
4. 極大のところで傾きは:
5. [a, b] での最大は、どこにありうるか:

練習:自分で答えてみよう

答えを入力するか選んで、「チェック」を押そう。困ったらヒントを見てね。解答は答えたあとに表示されます。

よくある質問

極大と最大のちがいは?

極大は、その近くでいちばん高い値です。区間での最大(絶対的な最大)は、区間ぜんたいでいちばん高い値です。

関数は増加でも減少でもありうる?

同じ区間ではありえませんが、グラフの別の部分でならありえます。x³ − 3x がそうです。

関数を調べるのに微分は必要?

微分を使うと速いですが、グラフを読んだり値を比べたりしてもできます。この授業では、3Dの接線で傾きの考え方を見せています。

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